一种PZT/Si扩散键合方法技术

本发明专利技术属于先进制造技术领域，提供了一种PZT/Si扩散键合方法。首先，在PZT块材表面制备电极层，并在电极层表面沉积PZT膜，形成PZT元件；然后，在一定温度条件下，通过对PZT元件与硅衬底施加压力，使PZT膜中的铅元素与硅发生扩散反应，形成具有一定深度和高结合力的扩散键合层，从而实现PZT元件/硅的稳固结合；最后，利用后续机械研磨和抛光工艺，获得所需厚度的PZT压电层。该键合方式PZT/Si的结合强度高、工艺简单、实施方便、成本低，利于商业化推广应用。

A PZT/Si diffusion bonding method

The invention belongs to the advanced manufacturing technology field, and provides a PZT/Si diffusion bonding method. First, the electrode layer on the surface of PZT bulk, and deposited on the surface of the electrode layer of PZT film, the formation of PZT components; then, under certain temperature conditions, the PZT element and the silicon substrate pressure, lead elements in the PZT film and the silicon diffusion reaction, the formation of a certain depth and high adhesion the diffusion bonding layer, thereby achieving stable PZT components / silicon combination; finally, the subsequent mechanical lapping and polishing process to obtain the required thickness of the piezoelectric layer PZT. The bonding method PZT/Si has high bonding strength, simple process, convenient implementation and low cost, which is beneficial to commercialization and application.

【技术实现步骤摘要】
一种PZT/Si扩散键合方法
本专利技术属于先进制造
，提供一种PZT/Si扩散键合方法。
技术介绍
近年来，作为信息采集、处理、执行一体化的微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems,MEMS)以其微型化、低能耗、高灵敏度、高集成化等优点受到学术界和产业界的高度关注。压电材料具有可将电能与机械能进行相互转化的特性，利用压电材料制作的传感器、执行器、能量收集器等压电MEMS器件(pMEMS)已经成为MEMS研究领域的一个重要分支。其中，以硅为衬底的pMEMS器件占主导地位。锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷材料因其具有相对较高的压电系数d33，而被广泛应用于硅基压电器件。为制备硅基PZT压电器件，首先需要将PZT压电层与硅衬底进行集成，pMEMS器件中压电层厚度通常为10～500μm左右，为适应不同的应用需求，对其一般还具有图案化要求。目前，在硅衬底上制备PZT的方法主要包括：(1)在硅衬底上沉积制备目标厚度的PZT膜，然后通过光刻、刻蚀等微加工工艺制备图案。这种方法在PZT烧结结晶过程中硅与PZT的热失配产生较大应力，容易导致PZT产生裂纹进而影响PZT膜压电性能。(2)通过机械加工方法将PZT块材减薄到目标厚度，通过胶粘合在硅衬底上，然后通过光刻、刻蚀等微加工工艺制备图案。将PZT块材减薄到100μm已经是机械加工极限，而且成品率仅为10％，后续转移粘接过程复杂，操作困难。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术难题是克服上述技术的不足，专利技术一种PZT/Si扩散键合方法。首先，在PZT块材表面制备电极层和PZT膜，形成PZT元件；然后，在一定温度条件下，通过对PZT元件与硅衬底施加压力，使PZT膜中的铅元素与硅发生扩散反应形成扩散键合层，从而实现PZT元件/硅的稳固结合；最后，利用后续机械研磨和抛光工艺，获得所需厚度的PZT压电层。该键合方式PZT/Si的结合强度高、工艺简单、实施方便、成本低，利于商业化推广应用。本专利技术的技术方案：一种PZT/Si扩散键合方法，首先，在PZT块材1表面制备电极层2，并在电极层2表面沉积PZT膜3，形成PZT元件；然后，在一定温度条件下，通过对PZT元件与硅衬底4施加压力，使PZT膜3中的铅元素与硅发生扩散反应，形成具有一定深度和高结合力的扩散键合层，从而实现PZT元件/硅的稳固结合；最后，利用后续机械研磨和抛光工艺，获得所需厚度的PZT压电层。具体步骤如下：1)PZT块材的表面预处理首先，对PZT块材1进行机械研磨抛光处理，使之表面平整度低于800nm，粗糙度为100～500nm，以满足电极层溅射要求；随后，使用丙酮、去离子水去除PZT块材1表面附着的有机杂质；最后，利用除油液对PZT块材1进行除油处理，去除PZT块材1表面皂化油和矿物油；2)电极层和PZT膜的制备在预处理后的PZT块材1表面溅射电极层2作为PZT元件的底部工作电极；在电极层2表面沉积10～70μm厚的PZT膜3作为键合层；PZT块材1、电极层2和PZT膜3构成PZT元件；3)PZT元件与硅衬底的表面预处理对于PZT元件，首先，对PZT膜3进行机械研磨抛光处理，使之表面平整度低于600nm，粗糙度低于500nm，以满足键合要求；然后，使用丙酮、去离子水去除PZT膜3表面附着的有机杂质；最后，使用除油液对PZT元件进行除油处理，去除PZT膜3表面的皂化油和矿物油；对于硅衬底4，通过RCA标准清洗法进行清洗，以去除表面附着的杂质；4)PZT元件与硅衬底的高温扩散键合对PZT元件与硅衬底4施加5～30N压力，在保持压力条件下，将PZT元件及硅衬底4整体置于700～1000℃高温环境下，并保温10～60min，完成PZT元件与硅衬底4的高温扩散键合；5)PZT元件的减薄处理完成PZT元件与硅衬底4的高温扩散键合后，利用机械研磨和抛光工艺，对PZT元件的PZT块材1进行减薄处理，获得所需厚度的PZT压电层。同时，PZT压电层表面平整度低于800nm，粗糙度为100～500nm。所述的电极层2包括Ti电极层2-1和Pt电极层2-2，Ti电极层2-1溅射在PZT块材1的表面，Pt电极层2-2溅射在Ti电极层2-1的表面。所述的Ti电极层2-1层厚为20～50nm，Pt电极层2-2层厚为100～500nm。本专利技术的有益效果：本专利技术提供一种PZT/Si扩散键合方法，首先，在PZT块材上制备电极层和PZT膜，形成PZT元件；然后，在一定温度条件下，通过对PZT元件与硅衬底施加压力形成扩散键合层，实现PZT元件/硅的稳固结合；最后，利用后续机械研磨和抛光工艺，获得所需厚度的PZT压电层。该键合方式PZT/Si的结合强度高、工艺简单、实施方便、成本低，利于商业化推广应用。附图说明图1为PZT/Si扩散键合方法示意图。图2为PZT/Si扩散键合方法工艺路线图。图中：1PZT块材；2-1Ti电极层；2-2Pt电极层；3PZT膜；4硅衬底；5PZT块材研磨抛光处理；6PZT块材表面溅射电极层；7PZT块材电极层表面PZT膜制备；8PZT元件研磨抛光处理；9PZT元件与硅衬底高温扩散键合；10PZT元件减薄处理。具体实施方式以下结合技术方案和附图详细说明本专利技术的具体实施方式。首先，对PZT块材进行研磨抛光、去杂质及除油处理；然后，在PZT块材表面溅射Ti电极与Pt电极，并在Pt电极表面沉积一定厚度的PZT膜，PZT块材、电极层和PZT膜构成了PZT元件。PZT/Si扩散键合过程为：在一定温度条件下，通过对PZT元件与硅衬底施加压力，使PZT膜与硅发生扩散键合，实现PZT元件/硅的稳固结合；最后，利用后续机械研磨和抛光工艺，获得所需厚度的PZT压电层。实施例的具体实施步骤如下：1)PZT块材的表面预处理本实施例中PZT块材1型号为PZT-5H，尺寸为10mm×7mm×1mm(长×宽×厚)。首先，对其进行机械研磨抛光处理，使之表面平整度与粗糙度分别达到500nm和300nm，以满足电极溅射要求；随后，使用丙酮、乙醇、去离子水、三氯乙烯常温下依次超声清洗10min，以去除表面附着的有机杂质；最后，在30～40℃温度下，利用除油液进行5～10min超声处理，以去除表面皂化油和矿物油；2)电极层和PZT膜的制备完成PZT块材1的表面预处理后，需在PZT块材1表面制备电极层2作为PZT元件的底部工作电极，为增加电极与PZT块材1的结合强度，首先通过磁控溅射方法在PZT块材1表面溅射30nm厚的Ti电极2-1，再在Ti电极2-1表面溅射200nm厚的Pt电极2-2。完成PZT块材1表面电极层2的制备后，利用电喷印沉积(Electrohydrodynamicatomizationdeposition)技术在电极层2表面沉积50μm厚的PZT膜3作为键合层。PZT块材1、电极层2和PZT膜3构成了PZT元件；3)PZT元件与硅衬底的表面预处理在实施PZT/Si的扩散键合工艺前，需对PZT元件与硅衬底4进行表面预处理。对于PZT元件，首先，需对PZT膜3进行机械研磨抛光处理，使之表面平整度与粗糙度分别达到500nm和300nm，以满足键合要求；随后，使用丙酮、乙醇、去离子水、三氯乙烯常温下超声清洗10min，去除表面附本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种PZT/Si扩散键合方法，其特征在于，步骤如下：1)PZT块材的表面预处理首先，对PZT块材(1)进行机械研磨抛光处理，使之表面平整度低于800nm，粗糙度为100～500nm，以满足电极层溅射要求；随后，使用丙酮、去离子水去除PZT块材(1)表面附着的有机杂质；最后，利用除油液对PZT块材(1)进行除油处理，去除PZT块材(1)表面皂化油和矿物油；2)电极层和PZT膜的制备在预处理后的PZT块材(1)表面溅射电极层(2)作为PZT元件的底部工作电极；在电极层(2)表面沉积10～70μm厚的PZT膜(3)作为键合层；PZT块材(1)、电极层(2)和PZT膜(3)构成PZT元件；3)PZT元件与硅衬底的表面预处理对于PZT元件，首先，对PZT膜(3)进行机械研磨抛光处理，使之表面平整度低于600nm，粗糙度低于500nm，以满足键合要求；然后，使用丙酮、去离子水去除PZT膜(3)表面附着的有机杂质；最后，使用除油液对PZT元件进行除油处理，去除PZT膜(3)表面的皂化油和矿物油；对于硅衬底(4)，通过RCA标准清洗法进行清洗，以去除表面附着的杂质；4)PZT元件与硅衬底的高温扩散键合对PZT元件与硅衬底(4)施加5～30N压力，在保持压力条件下，将PZT元件及硅衬底(4)整体置于700～1000℃高温环境下，并保温10～60min，完成PZT元件与硅衬底(4)的高温扩散键合；5)PZT元件的减薄处理完成PZT元件与硅衬底(4)的高温扩散键合后，利用机械研磨和抛光工艺，对PZT元件的PZT块材(1)进行减薄处理，获得所需厚度的PZT压电层；同时，PZT压电层表面平整度低于800nm，粗糙度为100～500nm。...

【技术特征摘要】
1.一种PZT/Si扩散键合方法，其特征在于，步骤如下：1)PZT块材的表面预处理首先，对PZT块材(1)进行机械研磨抛光处理，使之表面平整度低于800nm，粗糙度为100～500nm，以满足电极层溅射要求；随后，使用丙酮、去离子水去除PZT块材(1)表面附着的有机杂质；最后，利用除油液对PZT块材(1)进行除油处理，去除PZT块材(1)表面皂化油和矿物油；2)电极层和PZT膜的制备在预处理后的PZT块材(1)表面溅射电极层(2)作为PZT元件的底部工作电极；在电极层(2)表面沉积10～70μm厚的PZT膜(3)作为键合层；PZT块材(1)、电极层(2)和PZT膜(3)构成PZT元件；3)PZT元件与硅衬底的表面预处理对于PZT元件，首先，对PZT膜(3)进行机械研磨抛光处理，使之表面平整度低于600nm，粗糙度低于500nm，以满足键合要求；然后，使用丙酮、去离子水去除PZT膜(3)表面附着的有机杂质；最后，使用除油液对PZT元件进行除油处理，去除PZT膜(3)表面的皂化油和矿物油；对于硅衬底(4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王大志，石鹏，慈元达，周鹏，凌四营，任同群，梁军生，韦运龙，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21